發布日期：2022-10-09 點擊率：96
測距傳感器：ToF——飛行時間測距傳感器 第1張" title="tof 測距傳感器：ToF——飛行時間測距傳感器 第1張-傳感器知識網"/>
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TOF是飛行時間（Time of Flight）技術的縮寫，即傳感器發出經調制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發射和反射時間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產生深度信息，此外再結合傳統的相機拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現出來。
不論是自動駕駛，還是VR；亦或是現在市面上層出不窮的平衡車，都離不開ToF技術。
TOF測量原理
發射的紅外光線被被測物體反射后回到傳感器，內置的計時器記錄其來回時間，然后即可計算出其距離。聽起來好像和大家玩爛了的超聲波測距沒啥不同。但其實不然，超聲波測距對反射物體要求比較高，面積小的物體，如線、錐形物體就基本測不到，而TOF紅外測距完全可克服此問題，同時TOF測距精度高，測距遠，響應快。
這種技術跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過3D激光傳感器是逐點掃描，而TOF相機則是同時得到整幅圖像的深度信息。
ToF的原理是通過光子的反射測距。傳統上是紅外測距，但紅外測距沒有計算時間差的能力，主要靠測光強，但打在黑色、白色等顏色物體上，由于材料本身的吸收度不同，也會影響測距效果，因此ST的FlightSense采用計算發射和返回的光子時間差，即計算飛行時間(ToF)方案。另外在集成度上，ST的方案是發射和接收都做在一起，而紅外測距往往是分立方案。
第一代
VL6180X
第二代
VL53L0X
第三代
VL53L1X
測距40cm
2m
4m激光器850nm940nm940nm視場角25°25°27°環境光感測有無無測距精度±10mm±3%±1%
市面上有多家公司采用ToF方法，但主要采用相位測距法，主要用于工業，原理是脈沖計算法，但在波谷的能量就不測量了，會造成能量損失。
為何ST方案的測距角度都是25°?因手機鏡頭弧度是25°左右，所以市面上的產品往往是25~30°視角。FlightSense二代之所以是2米測距，因手機拍攝的理想距離是1.2~1.5米。
ST的FlightSense有三代產品。第一代產品是VL6180X，15fps，是40 cm+環境光傳感器，2014年第二季度推出;第二代是VL53L0X，為30fps，最大200 cm，是2016年以來主推的;新的第三代是VL53L1X，為60fps，最大400 cm，2018年2月問世。
*第一代測距傳感器——VL6180系列可用于教育面板，因為家長特別在乎孩子眼睛是不是看得太近。專業的筆記本上也有測距器件，不只是監控閱讀的距離，同時也做了開關，當人離開后就把屏幕關掉，以實現節能和保密。還有智能家居面板與服務機器人，它們在沒人的時候會關閉，有人過來后會開啟。
其中，Amiro智能化妝鏡很有創意，其外緣有一圈智能燈。有時候你在家里的化妝鏡前，明明涂的是桃紅色3號口紅，結果一去宴會會場它卻成了紫色8號的顏色。原因是環境光的影響。所以Amiro鏡子有幾種模擬光，可模擬太陽光、室內光等，以實現精準的科學模擬。例如你今天主要是去野餐的，你今天就要用它的3號光，你的桃色3號口紅在野外就會呈現這個顏色。FlightSense用于感應到你是否到鏡子面前，此方案中的最遠感應距離約20 cm。
*第二代測距傳感器VL53L0X的測距更遠，達2 m。可以用于衛浴，現在還在發展沖水馬桶，但它對可靠性要求比較嚴苛，因為要求檢測率達100%。還可用于距離更遠的照明開關，例如辦公室的燈。廣告機的測距距離也要更遠，有人就自動開啟。
*第三代測距傳感器VL53L1X于2018年2月推到市場，可用于探測距離達4 m的無人機，用于定高。還有室內機器人/掃地機器人的避障等。另外一個有前景的應用是室內門禁，門禁機開始采用人臉識別，然而常發生這樣一個尷尬現象，識別需要很長時間，識別完后，門又擋住了人，又需要再回去感應，如何在識別完成后，人一動，門就會迅速打開，這就需要對距離有非常敏銳感覺的感應器。再有，投影儀和相機，有了測距能夠拍攝得更遠更好。
飛行時間（ToF）傳感系統是最有盈利空間的創新成像技術之一。市場上的主要消費類產品制造商都希望在各種智能硬件中集成飛行時間（ToF）測距，以提供3D成像、接近感應、環境光感測、手勢識別等功能。
意法半導體在飛行時間（ToF）傳感方面潛心研究，而iPhone 7 Plus中的飛行時間（ToF）測距傳感器是意法半導體為蘋果公司定制的產品。
這款為蘋果定制的產品位于iPhone手機前面、主揚聲器上方，采用光學柵格陣列（LGA）封裝形式，尺寸為2.8mm x 2.40mm，小于意法半導體對外公開銷售的任一款ToF傳感器。
蘋果iPhone 7 Plus拆解
ToF傳感器包括紅外發射器（垂直腔面發射激光器，VCSEL）、紅外探測器（單光子雪崩二極管，SPAD）。
意法半導體飛行時間（ToF）測距傳感器封裝尺寸
意法半導體飛行時間（ToF）測距傳感器逆向分析
VCSEL芯片剖面圖（模糊化）
意法半導體第二代飛行時間（ToF）測距傳感器VL53L0X采用4.4 mm x 2.4 mm x 1 mm回流焊封裝，主要有以下優勢：（1）不到30 ms即可提供最長2米的絕對距離讀值；（2）快速模式：50Hz快速測距操作；（3）高精度（精確度控制在±3%范圍內），低功耗（正常工作模式下功耗僅20mW，待機功耗只有5μA）；（4）先進的環境光抑制的設計；（5）采用940nm紅外光。
TOF測距方法有兩個關鍵的約束：一是發送設備和接收設備必須始終同步；二是接收設備提供信號的傳輸時間的長短。為了實現時鐘同步，TOF測距方法采用了時鐘偏移量來解決時鐘同步問題。但由于TOF測距方法的時間依賴于本地和遠程節點，測距精度容易受兩端節點中時鐘偏移量的影響。為了減少此類錯誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠程節點發送數據包，本地節點接收數據包，并自動響應，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對任何時鐘偏移量的影響,從而減少測距誤差。
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原標題：讀懂ToF傳感器，看這一篇就夠了！
您是否聽說過在手機，相機等中使用的飛行時間傳感器，也稱為ToF傳感器，但不知道它們的用途和作用原理？
通過本文，您將了解有關ToF傳感器和照相機的所有信息：
什么是飛行時間傳感器？
飛行時間傳感器如何工作？
使用飛行時間傳感器的好處
ToF的局限性
一．什么是飛行時間（ToF）傳感器？
什么是飛行時間相機？它是捕捉飛機飛行的相機嗎？它與飛機或飛機有關嗎？好吧，實際上距離還很遠！
ToF是物體，粒子或波傳播一段距離所花費的時間的度量。您知道蝙蝠的聲納系統有效嗎？飛行時間系統與此類似！
飛行時間傳感器種類繁多，但大多數是飛行時間相機和激光掃描儀，它們使用稱為激光雷達（光檢測和測距）的技術，通過用紅外光照射來測量圖像中各個點的深度。
使用ToF傳感器生成和捕獲的數據非常有用，因為它可以提供行人檢測，基于面部特征的用戶身份驗證，使用SLAM（同時定位和映射）算法的環境映射等等。
該系統實際上廣泛用于機器人，自動駕駛汽車，甚至現在是您的移動設備。舉個例子，如果您使用的是華為P30 Pro,Oppo RX17 Pro,LG G8 ThinQ,則您的手機配有ToF攝像頭！
二．飛行時間傳感器如何工作？
現在，我們對飛行時間傳感器是什么有了一個簡短的了解，它如何工作？
ToF傳感器使用微小的激光發射紅外光，其中產生的光會從任何物體反彈并返回到傳感器。根據光的發射與被物體反射后返回傳感器之間的時間差，傳感器可以測量物體與傳感器之間的距離。
今天，我們將探討ToF使用旅行時間確定距離和深度的2種方法，它們是：
使用定時脈沖
使用調幅波的相移
使用定時脈沖：
例如，它的工作方式是首先用激光照射目標，然后用掃描儀測量反射光，然后使用光速推算出物體的距離，從而精確地計算出行進的距離。此外，然后使用激光返回時間和波長的差異來進行目標的精確數字3D表示和表面特征，并在視覺上繪制出其各個特征。
正如您在上面看到的那樣，這是首先發射激光并從物體反射回傳感器的過程。借助激光返回時間，ToF攝像機能夠在給定光傳播速度的情況下在短時間內測量出準確的距離。（ToF轉換為距離）這是分析人員用來得出對象的精確距離的公式：
（光速x飛行時間）/ 2
如您所見，計時器將在燈光熄滅期間啟動，并且當接收器接收到返回燈時，計時器將返回時間。當兩次相減時，獲得了光的“飛行時間”，并且光速是恒定的，因此可以使用上面的公式輕松計算距離。這樣，可以確定物體表面上的所有點。
使用調幅波的相移：
接下來，ToF還可以使用連續波來檢測反射光的相移以確定深度和距離。
通過調制振幅，它可以創建具有已知頻率的正弦形式的光源，從而使檢測器能夠確定反射光的相移并使用以下公式：
其中c是光速（c=3×10^8 m / s），λ是一個波長（λ=15 m），f是頻率，傳感器上的每個點都可以很容易地計算出深入。
隨著我們以光速工作，所有這些事情都發生得非常快。您能想象傳感器能夠測量的精度和速度嗎？讓我舉一個例子，光以每秒30萬公里的速度傳播，如果一個物體離您5m,光離開相機與返回之間的時間差約為33納秒，僅相當于0.秒！哇！更不用說，捕獲的數據將針對圖像中的每個像素，為您提供精確的3D數字表示。
無論使用哪種原理，提供能夠照亮整個場景的光源都可以使傳感器確定所有點的深度。這樣的結果為您提供了一個距離圖，其中每個像素編碼到場景中相應點的距離。以下是ToF范圍圖的示例：
現在我們知道ToF可以工作了，為什么很好呢？為什么要使用它？他們有什么好處？不用擔心，使用ToF傳感器的優點很多，當然也有一定的局限性。
三．使用飛行時間傳感器的好處
精確快速的測量
與其他距離傳感器（例如超聲波或激光）相比，飛行時間傳感器能夠非常快速地組成場景的3D圖像。例如，ToF相機僅需一次即可完成此操作。不僅如此，ToF傳感器能夠在短時間內準確地檢測物體，并且不受濕度，氣壓和溫度的影響，使其適合于室內和室外使用。
長距離
由于ToF傳感器使用激光，因此它們也能夠高精度地測量遠距離和范圍。例如，我們的RPLiDAR S1便攜式ToF激光掃描儀套件？的射程為40m!因此，ToF傳感器具有靈活性，因為它們能夠檢測各種形狀和大小的近距離和遠距離物體。
從某種意義上說，它也是靈活的，因為您能夠自定義系統的光學部件，以實現最佳性能，您可以在其中選擇發射器和接收器類型以及透鏡，以獲得所需的視野。
安全
擔心從ToF傳感器發出的激光會傷害您的眼睛嗎？別擔心！現在，許多ToF傳感器都使用低功率紅外激光作為光源，并通過調制脈沖驅動它。傳感器達到1類激光安全標準，可確保其對人眼的安全。
具有成本效益
與其他3D深度范圍掃描技術（例如結構化光相機系統或激光測距儀）相比，ToF傳感器與它們相比要便宜得多。
盡管有所有這些限制，ToF仍然非常可靠，并且是捕獲3D信息的非常快速的方法。
四．ToF的局限性
盡管ToF有很多好處，但它也有局限性。ToF的一些局限性包括：
散射光
如果非常明亮的表面離您的ToF傳感器很近，它們可能會將太多的光散射到您的接收器中，并產生偽影和不必要的反射，因為您的ToF傳感器只需要反射一次的光即可進行測量。
多重反射
在角落和凹形上使用ToF傳感器時，它們可能會導致不必要的反射，因為光可能會多次反射，從而使測量失真。
環境光
在明亮的陽光下戶外使用ToF相機可能會導致戶外使用困難。這是由于陽光的高強度會導致傳感器像素快速飽和，從而無法檢測到從物體反射的實際光。
結語：
飛行時間傳感器可用于多種應用中。從3D制圖，工業自動化，障礙物檢測，自動駕駛汽車，農業，機器人技術，室內導航，手勢識別，對象掃描，測量量，監視到增強現實！ToF技術的應用層出不窮。
您對ToF傳感器有何想法？你會用它做什么？歡迎在下面留言評論~
來源：公眾號 傳感器專家網
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責任編輯：
第十四屆智能車競賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國國內智能車競賽中參加決賽的隊伍備受困擾，同樣，它也使得今年國內參加比賽的隊員感到苦惱。
2018年韓國全國大學生智能車競賽中的橫斷路障
成功越過橫斷路障的關鍵就是需要能夠盡可能提前檢測到它的存在，然后在路障前后的一米區內精確繞過路障。
在繞過路障的過程中，車模不再具有賽道的導引。如果僅僅依靠車模開環控制完成繞行，則車模的軌跡就會受到賽道環境的影響，要么彎繞大了卡在旁邊的賽道路肩上，要么彎繞小了，剮蹭在路障上。
視覺檢測路障并開環繞行
為了避免繞行中厄運的發生，則需要對車模繞行路障引入反饋控制。
一種方案就是在車模上增加轉向陀螺儀和車模行進距離傳感器，這樣可以精確控制車模運行軌跡，從而能夠適應更加復雜多變的 環境。
另一種方案就是增加路障距離傳感器，控制車模與路障之間的距離使得繞行轉彎不太大也不太小。
近期很多同學在尋找各種測距傳感器。傳統的超聲傳感器對于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會測不到，測量距離誤差較大。現在更多同學把目光轉移到一大類基于激光的測距傳感器。
常見到的激光測距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測距，結構光方法等。
TOF測距原理和超聲波測距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強，所以探測空間分辨率較高。由于它是通過測量光波從發送到接受之間的時間差來計算物體距離，所以物體表面的反射率對于測量結果影響不大。
TOF激光距離傳感器
由于半導體工藝的進步，TOF激光測距傳感器的價格也比較便宜。近期很多同學在詢問這類傳感器是否可以允許用于競賽中。
對于這類封裝比較小（集成了傳感器，處理電路和接口芯片）的模塊可以被當做整體傳感器應用于競賽中。但需要排除 一些體積比較大并具有MCU，功能比較綜合的TOF傳感器。
TOP傳感器以及其中的接口芯片
TOP是一款TOF激光測距傳感器。它的測距結果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測量范圍在100~1800mm，輸出結果速度最快每秒33個數據。
通過UART輸出的測量結果以及串口波形
該模塊體積比較小，價格相對比較便宜，在一個車模上可以安裝多個這樣的傳感器。所以很多同學不僅希望使用它檢測賽道中的路障，而且還希望用于信標組中，檢測信標障礙。
那么這個傳感器在使用中，究竟效果如何。對于大的路障，小的信標檢測距離有多遠。是否會受到環境光線影響，多個TOF模塊之間是否會存在干擾呢？
TOF測試接口
為了回答上面的問題，下面就通過實驗來一一驗證它。
為了更好的衡量TOF測量的空間分辨率和測量范圍，下面將傳感器固定在 一個小型的舵機上，然后讓舵機進行旋轉，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測精度。
使用小型舵機旋轉TOF傳感器
下面是一個長度為1米左右的水平導軌，可以承載檢測物體在縱向進行移動，這樣可以測試TOF傳感器的距離精度和檢測范圍。
縱向滑軌
使用一個紅色表面的木箱作為檢測對象。放在滑軌上沿著遠離傳感器的方向移動。
在木箱在遠離方向上的每一個地點，舵機帶動TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當前距離下，從不同方位所檢測到前面物體的距離。
具體結果如下圖所示。距離掃描曲線顯示TOF傳感器在空間分辨率上是很高的。
紅色物體在遠離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線
從上面動圖可以看到，隨著木箱 遠離傳感器，傳感器前面所測到近距離的范圍原來越小，同時距離數值也隨著木箱的遠離逐步增加。
當木箱移動到接近1米的時候，檢測距離曲線出現了很多噪聲，數據變得不可靠了。
所選的木箱底部是黑色，當黑色底部對準TOF傳感器時，可以看到當距離城廓0.5米之后，測量數據就開始具有很多的噪聲了。測距距離明顯減少。
黑色表面，檢測距離縮小到0.5米
下面三個距離掃描結果曲線分別是針對白色反射面，紅色反射面以及黑色反射面。反射物體距離TOF傳感器大約700mm。
通過對比可以看到，白色和紅色反射面所測量的結果噪聲基本相同，而黑色反射面結果中的噪聲則非常大。
白色反射面測量距離掃描結果
紅色反射面測量距離掃描結果
黑色表面距離掃描結果
因此比賽中所規定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測。
考慮到實際路障的尺寸是45厘米，比實驗中的木箱更大，因此，可以推測使用TOF傳感器檢測到路障的正面距離應該能夠大于1米。
TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測到信標呢?
下面使用同樣的測試方法繪制了信標燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。
信標燈罩在不同距離下檢測距離結果曲線
從上面結果來看，當距離超過0.7米之后，信標就基本上無法檢測到。如果再考慮到現場環境的影響，所以使用TOF檢測信標的距離只能在半米左右。
如果信標車模控制的好的話，比如同時使用它的四輪，完成橫向運動，半米的距離是可以靈活的躲開信標燈。
只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測距傳感器。
由于得到最后一組數據的時候，已經到了晚上，外面沒有了陽光。否則需要測試一下，在陽光下的環境中，TOF檢測距離是多遠？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測。
兩個TOF之間的相互干擾
上圖動圖顯示了兩個TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個TOF傳感器旋轉，如果碰巧照射在另外一個傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯誤的檢測結果。如果TOF不是正向照射在另外一個傳感器上，它們測量結果還是正確的。因此，在一個車模上是可以在四周同時按照多個TOF傳感器。只要注意他們之間不會相互直射即可。
在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個車模同時進行運行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發生干擾的。不過這種干擾的幾率會很小。
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